تماس بگیرید

آنچه در مورد "سنسور اکسیژن" می خوانید

سنسور اکسیژن

اکسیژن موجود در هوا تحت شرایط و عوامل مختلفی ممکن است مصرف شود. این تغییرات گاهی نشانه ای از خود ندارد و بدون آنکه فرد متوجه شود، سلامتی او را تهدید می کند

سنسور اکسیژن مانند سایر ابزار های ایمنی، نقشی کلیدی در حفظ سلامت و ایمنی کارکنان دارد. درک از نحوه عملکرد این ابزار ها برای رسیدن به عملکرد بهینه و حفاظت از کارکنان در فضاهای بسته مانند معادن، امری ضروری برای جلوگیری از اثرات کشنده از کمبود یا افزایش بیش از حد اکسیژن است. همچنین این حسگر ها با توجه به کاربردشان انواع و عملکردی متفاوت دارند که در ادامه با آن بیشتر آشنا می شویم.

خطرات ناشی از کمبود یا غلظت اکسیژن

وظیفه سنسور اکسیژن اندازه گیری غلظت اکسیژن محیط است تا در مورد کمبود یا غلظت بیش از حد آن هشدار دهد. در هر دو حالت ممکن است این تغییرات برای سلامتی و ایمنی کارکنان خطراتی جدی داشته باشد.

هوای خشک حدودا از 21 درصد اکسیژن (O₂) تشکیل شده است. اما در شرایط مختلف این درصد ممکن است دچار تغییر شود. طبق استانداردهاى سازمان ایمنى و بهداشت شغلى (OSHA)، در فضاهای محدود کمترین میزان اکسیژن مورد تایید 19.5 است که کارکنان می توانند به آن محیط ورود ایمن داشته باشند. حداکثر مجاز اکسیژن در محیط نیز 21 درصد است به این معنی که احتمال بروز حریق در آن محل زیاد است.

همچنین کاهش بیش از حد O₂ نیز آسیب های جدی برای سلامت انسان دارد که این تغییرات و اثرات آن را به طور خلاصه در جدول زیر می توانید مشاهده کنید:

بیش از 21 درصد
16 تا 19.5 درصد
12 تا 16 درصد
10 تا 14 درصد
6 تا 10 درصد
کمتر از 6 درصد
محیط از اکسیژن غنی شده و احتمال بروز حریق زیاد است.
فعالیت زیاد به هر شکلی مانند ورزش یا کار سنگین به سرعت باعث افزایش تعداد تنفس و تسریع ضربان قلب می شود. در این حالت فرد دچار اختلال ذهنی و ناهماهنگی شده و تصمیمات نامناسب می گیرد که برای کارگران می تواند مرگبار باشد.
این میزان اکسیژن حتی در افرادی که هیچ فعالیتی نمی کنند باعث افزایش میزان تنفس و ضربان قلب شده و باعث اختلال فکری، عدم توجه و ناهماهنگی خواهد شد.
قضاوت نادرست، تنفس متناوب و خستگی و تلاش فرد برای تنفس در این میزان اکسیژن قابل انتظار است.
در این حالت فرد دچار تهوع، استفراغ و بی حالی شدید و بیهوشی می شود.
تنفس این غلظت از اکسیژن باعث تشنج و سپس قطع تنفس و به دنبال آن ایست قلبی می شود. این علائم بلافاصله ظاهر می شود. حتی اگر فرد خیلی سریع از محیط خارج شود دچار آسیب های جدی و جبران ناپذیر خواهد شد.
بیش از 21 درصد
16 تا 19.5 درصد
محیط از اکسیژن غنی شده و احتمال بروز حریق زیاد است.
فعالیت زیاد به هر شکلی مانند ورزش یا کار سنگین به سرعت باعث افزایش تعداد تنفس و تسریع ضربان قلب می شود. در این حالت فرد دچار اختلال ذهنی و ناهماهنگی شده و تصمیمات نامناسب می گیرد که برای کارگران می تواند مرگبار باشد.
12 تا 16 درصد
10 تا 14 درصد
این میزان اکسیژن حتی در افرادی که هیچ فعالیتی نمی کنند باعث افزایش میزان تنفس و ضربان قلب شده و باعث اختلال فکری، عدم توجه و ناهماهنگی خواهد شد.
قضاوت نادرست، تنفس متناوب و خستگی و تلاش فرد برای تنفس در این میزان اکسیژن قابل انتظار است.
6 تا 10 درصد
کمتر از 6 درصد
در این حالت فرد دچار تهوع، استفراغ و بی حالی شدید و بیهوشی می شود.
تنفس این غلظت از اکسیژن باعث تشنج و سپس قطع تنفس و به دنبال آن ایست قلبی می شود. این علائم بلافاصله ظاهر می شود. حتی اگر فرد خیلی سریع از محیط خارج شود دچار آسیب های جدی و جبران ناپذیر خواهد شد.

عوامل تغییر غلظت اکسیژن

اکسیژن موجود در هوا تحت شرایط و عوامل مختلفی ممکن است مصرف و دستخوش تغییر شود. این تغییرات گاهی نشانه ای از خود ندارد و بدون آنکه فرد متوجه شود، سلامتی او را تهدید می کند. در ادامه با برخی از این عوامل آشنا می شویم:

زنگ زدگی

در فضاهای بسته و مرطوب، O₂ موجود در هوا می تواند با فلزاتی مانند آهن و فولاد به کمک آب واکنش داده و اکسیداسیون شیمیایی (زنگ زدگی) رخ دهد. فلزاتی که در حضور اکسیژن و آب اکسید می شوند تا زمانی که اکسیژن موجود در محیط به طور کامل مصرف شود به روند اکسید شدن ادامه داده و پس از تمام شدن O₂، زنگ زدگی متوقف شده و به حالت پایدار می رسد.

زنگ زدگی فلز

احتراق

احتراق یا آتشسوزی، شکل سریع‌تری از زنگ زدگی است که معمولاً با شعله و دود همراه است. علاوه بر مصرف O₂، احتراق محصولات جانبی زیادی تولید می کند. برخی از این محصولات ممکن است سمی باشد. بنابراین کاهش درصد حجمی O₂ ممکن است با افزایش سمیت نیز همراه باشد. برای ایجاد حریق لازم است هز سه عامل گرما، اکسیژن و ماده قابل اشتعال حضور داشته باشد، در غیر این صورت حریق صورت نمی گیرد.

احتراق

جذب اکسیژن

بعضی از مواد شیمیایی می توانند اکسیژن را جذب کنند. مثلا زمانی که بتن تازه ریخته می شود، تا مدتی اکسیژن را جذب می کند. در محیط های بسته حاوی موجودات زنده مانند باکتری های هوازی یا کارکنان، اکسیژن به صورت پیوسته مصرف می شود.

برخی از محصولات این متابولیسم ممکن است سمی باشد. پس در چنین محیط هایی با کاهش اکسیژن، سمیت محیط افزایش پیدا خواهد کرد.

تنفس

تولید اکسیژن

برخی از تجهیزات مانند جوشکاری، برشکاری گازی و تجهیزات پزشکی باعث تولید O₂ نسبتا خالص می شود. برخی از واکنش های شیمیایی نیز می تواند باعث ایجاد اکسیژن شود. مانند پراکسید هیدروژن که ممکن است به آب و اکسیژن تجزیه گردد. به ویژه اگر در حضور کاتالیزوری مانند دی اکسید منگنز یا فلزات واسطه قرار گیرد.

تولید اکسیژن

سنسور اکسیژن

 کم یا زیاد بودن مقدار اکسیژن به وسیله یک سنسور اکسیژن که به درستی کالیبره شده اندازه گیری می شود. همچنین این اندازه گیری نشان می دهد که چه میزان از اکسیژن مصرف شده یا چه میزان از گاز دیگری برای رقیق کردن اکسیژن در محیط های غنی از O₂ نیاز است.

وجود گاز های مخرب و مرگباری مانند سولفید هیدروژن (H2s) نیز می تواند باعث کاهش غلظت اکسیژن در محیط شود. این گاز بی رنگ که بویی نامطبوع دارد، حتی در مقادیر بسیار کم نیز خطرناک است. وجود حسگر های اکسیژن در گازسنج های چندگازه می تواند به سرعت تغییرات گاز موجود در محیط را اندازه گیری و هشدار لازم را بدهد.

اکثر سنسورهای اکسیژن، این گاز را در محدوده 0 تا 25 درصد را اندازه گیری می کنند . این در حالی است که سنسورهای اکسیژن تخصصی می توانند تا 100 درصد اکسیژن را نیز اندازه گیری کنند. سنسور های اکسیژن با توجه به کاربردشان به 9 نوع تقسیم می شوند که در ادامه آن ها را بررسی می کنیم:

1. الکتروشیمیایی

سنسورهای اکسیژن الکتروشیمیایی در درجه اول برای اندازه گیری سطح اکسیژن در هوای محیط استفاده می شوند. آنها یک واکنش شیمیایی را در سنسور اندازه گیری می کنند که یک خروجی الکتریکی متناسب با سطح اکسیژن ایجاد می کند. این نوع سنسورها به دلیل نیاز به توان کمتر، محدودیت های تشخیص کمتر و تاثیر پایین نسبت گاز های مزاحم، بیشتر مورد توجه قرار می گیرند ضمن اینکه کم هزینه ترین نوع سنسور نیز هستند.

فرایند های شیمیایی وابسته به دما هستند و این نوع سنسور نیز به فرایند های شیمیایی وابسته است. خروجی اکثر سنسورهای الکتروشیمیایی به شدت به جبران خطای دما برای ارائه نتایج قابل اعتماد در محدوده وسیعی از شرایط محیطی وابسته است. این سنسورها با گذشت زمان و حتی در حالتی که استفاده ای از آن نمی شود، از کار افتاده و معمولا بین 1 تا 3 سال عمر می کنند. همچنین با گذشت زمان از دقت آنها کاسته خواهد شد. 

این حسگر ها در تجهیزات نشت یابی و گازسنجی استفاده فراوان و نقش کلیدی دارند. از گازسنج های تک گازه گرفته تا گازسنج های چند گازه می توان این سنسور را در کنار سنسور های الکتروشیمیایی دیگر نصب کرد و چندین گاز موجود در محیط را اندازه گیری نمود. در مورد نشت یابی و گازسنجی بیشتر بدانید!

سنسور اکسیژن الکتروشیمیایی

2. زیرکونیا

این نوع سنسورها نیز نوعی سنسور الکتروشیمیایی هستند. دی اکسید زیرکونیا با یک لایه نازک پلاتین پوشانده شده است تا یک سلول سوختی الکتروشیمیایی حالت جامد را تشکیل دهد. اگر مونواکسید کربن در گاز مورد آزمایش وجود داشته باشد، توسط اکسیژن اکسید شده و CO2 تشکیل می شود.

سنسور زیرکونیا مستقیماً اکسیژن را تشخیص نمی دهد بلکه تفاوت میان غلظت اکسیژن در گاز خروجی و هوای معمولی را اندازه گیری می کند.

این نوع حسگر ها بیشتر برای کنترل نسبت هوا به سوخت در وسایل نقلیه استفاده می شوند، اما در کاربردهای صنعتی نیز مهم هستند. به عنوان مثال، سیستم سنسور سنجش اکسیژن SST از این فناوری برای اندازه گیری محتوای اکسیژن در گازهای دودکش، سیستم های کنترل احتراق، زغال سنگ، نفت، گاز، زیست توده و سیستم های تولید اکسیژن استفاده می کند. این سنسورها نیاز به کالیبراسیون ندارند و دقت خود را وقتی اکسیژن با گاز های دیگر مخلوط می شود حفظ می کنند.

حسگرهای زیرکونیا برای اندازه گیری اکسیژن به دمای بالا نیاز دارد. در حین استفاده، سنسور، دمای گاز نمونه را تغییر می دهد. دمای بالا به این معنی است که به انرژی زیادی نیاز دارد، بنابراین از سنسورهای اکسیژن زیرکونیا در دستگاه های دارای باتری و پرتابل استفاده نمی شود. علاوه بر این، سنسورهای زیرکونیا در مواردی که به دقت PPM و PPB نیاز است، توصیه نمی شود.

Zirconia oxygen sensor. 1

3. حسگر اکسیژن نوری

برخی از مولکول ها یا ترکیبات، وقتی در معرض نور قرار می گیرند، فلورسانس می شوند (انرژی نوری ساطع می کنند) با این حال، اگر اکسیژن وجود داشته باشد، انرژی نور به مولکول اکسیژن منتقل شده و در نتیجه فلورسانس کمتری ایجاد می شود. با استفاده از یک منبع نور، مقدار انرژی نوری شناسایی شده با تعداد مولکول های اکسیژن در نمونه نسبت معکوس دارد. پس هرچه فلورسانس کمتری شناسایی شود، مولکول های اکسیژن بیشتری باید در گاز نمونه وجود داشته باشد.

سنسورهای اکسیژن نوری کاربردهای زیادی دارند که می توان آنها را شامل امکانات پزشکی، لیزر و سیستم های تصویر برداری دانست. با توجه به مزایای این نوع سنسور، بسیاری از مصرف کنندگان این سنسورها را برای داشتن حساسیت بیشتر، محدوده دینامیکی گسترده تر، پیکربندی توزیع شده و قابلیت های چندگانه انتخاب می کنند.

سنسور اکسیژن نوری

4. لیزری

حسگرهای لیزری دیود (TDLS) قابل تنظیم است و امکان تجزیه و تحلیل گاز در زمان واقعی را برای افزایش کارایی، ایمنی، توان عملیاتی، کیفیت و انطباق با محیط زیست فراهم می‌کند. این حسگر ها بدون تماس امکان اندازه‌گیری را در شرایط سخت، مانند دمای بالا، فشار بالا، عوامل ساینده و فرساینده، غلظت گرد و غبار بالا، و …می‌دهد. تعمیر و نگهداری آنها نیز می‌تواند بدون خاموش کردن فرآیند انجام شود،. TDLS یک تحلیلگر فرآیند قوی است که به عملکرد پایدار و کارآمد کمک می کند.

واحدهای مختلف کارخانه و لوله کشی ممکن است حاوی گازهای تحت فشار، دمای بالا، خورنده، قابل احتراق و یا سمی باشد که ممکن است برای فناوری های سنتی مشکل ساز باشد. TDLS می تواند غلظت گاز فرآیند را در زمان واقعی و بدون تماس مستقیم تشخیص دهد تا امکان پاسخ سریع برای بهینه سازی و در دسترس بودن فرآیند را بدون به خطر انداختن فرایند فراهم کند.

سنسور اکسیژن لیزری

5. کلارک

اولین بار این حسگر ها برای اندازه گیری غلظت اکسیژن حل شده در خون مورد استفاده قرار گرفتند. همچنین برای تجزیه و تحلیل سایز گاز های محلول در خون مانند دی اکسید کربن نیز کاربرد دارد و با پوشاندن سطح الکترود با آنزیمی که گلوکز را اکسید کند، می توان قند خون را اندازه گیری کرد.

کلارک نوعی از حسگر اکسیژن الکتروشیمیایی است که میزان اکسیژن مایع را با استفاده از یک کاتد و یک آند که در الکترولیت غوطه ور هستند اندازه گیری می کند. این الکترود ها با همان روشی که در کاربرد های پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند، در کشاورزی و سایر کاربردهای صنعتی میزان گاز مورد نظر را اندازه گیری می کند. حسگر های دیگری نیز از کلارک وجود دارد که میزان ازن (O3)، هیدروژن (H202)، پراکسید هیدروژن (H) و سولفید هیدروژن (H2S) را محاسبه می کند.

دقت الکترود کلارک در محدوده دهم درصد اکسیژن است، اما به علت هزینه پایین آنها این الکترود ها به عنوان محصول مصرفی در اختیار کاربران قرار می گیرد.

سنسور اکسیژن کلارک

6. مادون قرمز

حسگر های مادون قرمز که عموما پالس اکسیمتر انگشتی یا اکسیمترهای انگشتی نامیده می شود، میزان اکسیژن خون را به وسیله نور اندازه گیری می کند. آنها معمولا برای مصارف پزشکی در دستگاه های ارزان قیمتی نصب می شوند که برای اندازه گیری اکسیژن از نوک انگشت یا لاله گوش استفاده می کند. نحوه کار این سنسور به این صورت است که نور مادون قرمز از لایه نازکی از پوست عبور کرده و اکسیژن را اندازه گیری می کند.

این نوع حسگر ها به دلیل غیر تهاجمی بودن، قیمتی مناسب، اندازه کوچک، کاربری ساده و تشخیص سریع سطح پایین اکسیژن، از محبوبیت زیادی برخوردار است. ولی در مدل های ارزان به علت دقت پایین مورد تایید پزشکی قرار نمی گیرد.

سنسور اکسیژن مادون قرمز

7. الکترو گالوانیکی

سنسور الکتروشیمیایی دمای محیط که معمولا حسگر گالوانیکی نامیده می‌شود، در اطراف یک استوانه کوچک طراحی شده‌ که از یک طرف با استفاده از نمونه تحت آزمایش مهر و موم شده است. این سیلندر شامل دو الکترود غوطه‌ ور در هیدروکسید پتاسیم (KOH) است، اگرچه از الکترولیت‌های آبی دیگر نیز می توان استفاده کرد.

زمانی که اکسیژن به واسطه نمونه پخش می شود، یون های هیدروکسیل با بار مثبت در کاتد تولید می شود. این یون های هیدروکسیل به آند مهاجرت کرده و در آنجا دوباره اکسید شده و جریانی متناسب با غلظت اکسیژن تولید می کنند. اندازه گیری این جریان نتایجی را ایجاد می کند که می تواند در محدوده PPM دقیق باشد.

در صورت استفاده از گازهای حاوی اسید مانند سولفید هیدروژن، دی اکسید گوگرد یا کلرید هیدروژن، طول عمر این حسگرها می تواند به شدت کاهش یابد. برای جلوگیری از فشار بیش از حد به حسگر نیز، استفاده از یک تنظیم کننده فشار پیشنهاد می شود.

سنسور اکسیژن گالوانیکی

8. پارامغناطیسی

پارامغناطیس شکلی از خاصیت مغناطیسی ماده است. به این معنی که برخی از مواد به وسیلهٔ میدان خارجی اعمال شده جذب می‌شوند. اکسیژن نیز یک گاز پارامغناطیس است و به وسیله یک میدان مغناطیسی قوی جذب می شود.

اساس عملکرد سنسور اکسیژن پارامغناطیس، حساسیت پارامغناطیس مولکول اکسیژن است که این ویژگی فیزیکی، اکسیژن را از اکثر گازهای دیگر متمایز می کند. این حسگر دارای دو کره شیشه ای است که از نیتروژن پر شده و روی یک سیستم معلق دوار نصب شده است. این سیستم در یک میدان مغناطیسی قوی معلق است. اکسیژن موجود در گاز به سمت این میدان جذب می شود و در نتیجه به کره های شیشه ای وارد می شود. قدرت گشتاوری که بر روی سیستم اثر می گذارد، متناسب با میزان اکسیژن اطراف آن است.

با توجه به اینکه که دستگاه از اساس اندازه گیری مطلق استفاده می کند، در نتیجه پس از ساخت و کالیبره شدن در کارخانه، نیازی به کالیبراسیون در محلی دیگر ندارد.

سنسور اکسیژن پارامغناطیس

9. سنسور اکسیژن اولتراسونیک

سنسور اکسیژن اولتراسونیک، از تفاوت سرعت صوت بین بالادست و پایین دست برای تشخیص جریان گاز و همچنین غلظت اکسیژن استفاده می کند.

زمانی که موج اولتراسونیک در سیال منتقل می شود، با توجه به سرعت سیال، به علت مکانیکی بودن امواج صوتی، سرعت موج تغییر می کند. سرعت سیال را می توان با تشخیص سیگنال اولتراسونیک دریافتی برای به دست آوردن نرخ جریان سیال اندازه گیری کرد. در اندازه گیری به روش اولتراسونیک نباید مانعی در سیال وجود داشته باشد. برای آشنایی با حسگر های اولتراسونیک و خرید آنها می توانید به این صفحه مراجعه کنید.

برای تشخیص غلظت اکسیژن، با توجه به اینکه سرعت صوت در گازهای مختلف متفاوت است، می توان غلظت گازهای مختلف در یک ترکیب گازی را اندازه گیری کرد.

از مزایای این سنسور ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • تکنولوژی پیشرفته در حسگر های اولتراسونیک
  • عدم نیاز به کالیبراسیون دوره ای
  • طول عمری بیشتر از 5 سال
  • هزینه کم
  • پایداری بالا
  • دقت زیاد

حسگر های اولتراسونیک در دستگاه های مختلفی مانند اکسیژن ساز، دستگاه بیهوشی، دستگاه تنفس مصنوعی و ونتیلاتور پزشکی مورد استفاده قرار میگیرند. ونتیلاتور پزشکی دستگاهی مکانیکی است که حرکت هوای قابل تنفس را به داخل و خارج ریه های بیماری که قادر به تنفس فیزیکی نیست فراهم می کند.

سنسور اکسیژن اولتراسونیک

دیدگاهتان را بنویسید